王映思 肖天貴 董雪峰 李 勇 趙 平
1.成都信息工程大學(xué),成都,610225
2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100081
3.國(guó)家氣象中心,北京,100081
研究(Krishnamurti,et al,1982;陳隆勛,1984;戴新剛等,2002;陳隆勛等,2006;丁一匯等,2013)表明,東亞季風(fēng)(EASM)和南亞季風(fēng)(SASM)是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)、環(huán)流系統(tǒng)及變化特征等均有明顯差異。東亞季風(fēng)系統(tǒng)包含熱帶和副熱帶兩類性質(zhì)的季風(fēng),其主要成員有西太平洋副熱帶高壓、澳大利亞高壓、中國(guó)南海和赤道西太平洋季風(fēng)槽、100°E以東越赤道氣流、赤道東風(fēng)氣流、高層西風(fēng)急流、梅雨鋒及中緯度擾動(dòng)等;南亞季風(fēng)是熱帶性質(zhì)的季風(fēng),其主要成員包括馬斯克林高壓、索馬里越赤道氣流、印度北部季風(fēng)槽、南亞高壓及北半球向南的越赤道氣流(Tao,et al,1987;陳隆勛等,1991;Lau,et al,2000;Wang,et al,2001)。此外,東亞季風(fēng)存在明顯的經(jīng)向年循環(huán)特征,其爆發(fā)后對(duì)流層上層經(jīng)向風(fēng)為偏北風(fēng),下層為偏南風(fēng),9 月中旬后上層轉(zhuǎn)為偏南風(fēng),下層轉(zhuǎn)為偏北風(fēng);南亞季風(fēng)則表現(xiàn)出明顯的緯向年循環(huán)特征,其爆發(fā)后對(duì)流層上層緯向風(fēng)為東風(fēng),下層為西風(fēng),10 月初以后對(duì)流層上層轉(zhuǎn)為西風(fēng),下層轉(zhuǎn)為東風(fēng)(Huang,et al,2007)。水汽輸送特征方面,東亞季風(fēng)以經(jīng)向水汽輸送為主,水汽輸送的輻合、輻散依賴于風(fēng)場(chǎng)的輻合、輻散與水汽平流;南亞季風(fēng)主要是緯向水汽輸送,水汽輸送的輻合、輻散主要依賴于風(fēng)場(chǎng)的輻合、輻散,水汽平流的貢獻(xiàn)較?。S榮輝等,1998;周曉霞等,2008)。
東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)雖存在較大差異,但兩季風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)系密切,對(duì)中國(guó)夏季降水均有重要影響。Zhang(2001)指 出,SASM 系統(tǒng)的水汽輸送與EASM 系統(tǒng)的水汽輸送成反相關(guān),且東亞地區(qū)強(qiáng)(弱)水汽輸送與印度夏季降水多(少)相對(duì)應(yīng)(劉蕓蕓等,2008)。如1951—1998 年印度季風(fēng)區(qū)的強(qiáng)(弱)水汽輸送被東亞地區(qū)的少(多)水汽輸送抵消,造成長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水偏少(多)(Zhang,2001)。此外,有研究(張人禾,1999;Wu,2002)指出印度和中國(guó)華北夏季降水存在顯著的正相關(guān);郭其蘊(yùn)等(1988)通過(guò)分析中國(guó)和印度1951—1980年6—9 月的降水量,得到中國(guó)華北地區(qū)與印度6—9 月的降水量成正相關(guān),經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)模態(tài)的分析結(jié)果也表明,印度與中國(guó)華北地區(qū)夏季降水有相同的信號(hào)(Kripalani,et al,1993),且這種正相關(guān)主要來(lái)自印度與華北2—3 a 的夏季降水年際分量(林大偉等,2016)。戴新剛等(2002)指出夏季風(fēng)大量的凝結(jié)潛熱釋放會(huì)激發(fā)SASM 與EASM 的印度-東亞區(qū)域遙相關(guān)型,繼而影響東亞夏季平均高度場(chǎng),以此干擾EASM。Wei 等(2014,2015)的研究也表明,印度北部凝結(jié)潛熱異常導(dǎo)致的南亞高壓的東西移動(dòng)會(huì)影響長(zhǎng)江中下游與南方夏季降水。此外,趙漢光等(1996)、施能等(1996a)、郝立生等(2016)認(rèn)為EASM 強(qiáng)弱與中國(guó)夏季雨帶類型存在一定聯(lián)系,夏季風(fēng)強(qiáng)(弱)的年份,中國(guó)主要雨帶分布在北(南)方。蔡學(xué)湛(2001)指出,若EASM 爆發(fā)早,則華南前汛期主要雨帶迅速向北推進(jìn),使華南地區(qū)整體降水少于常年;反之主要雨帶徘徊于華南,降水多于常年。
西南地區(qū)是受季風(fēng)影響嚴(yán)重的地區(qū),EASM 和SASM 不僅對(duì)西南地區(qū)夏季降水有重要影響,且不同季風(fēng)系統(tǒng)對(duì)區(qū)域降水的影響也存在明顯差異。如,曹杰等(2002)基于EOF 方法對(duì)云南5 月強(qiáng)降水的空間分布劃分為全省一致型、西部和東部、南部相反型以及東部和西部、南部相反型3 種類型,其中全省一致型與南亞季風(fēng)指數(shù)關(guān)系密切,西部和東部、南部相反型主要與南海季風(fēng)指數(shù)相關(guān)較好,東部和西部、南部相反型受亞洲季風(fēng)強(qiáng)度的影響較小。張騰飛等(2004)認(rèn)為,印度夏季風(fēng)活動(dòng)是云南2002 年6 月6 次強(qiáng)降水過(guò)程的主要原因。馬鋒波等(2009)、黃瑋等(2012)的研究也表明,云南年降水量與東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)指數(shù)有較好的相關(guān)。此外,周浩等(2010)通過(guò)分析多個(gè)亞洲季風(fēng)指數(shù)與重慶夏季降水的相關(guān),得到兩者存在很好的相關(guān),相關(guān)系數(shù)的分布表明EASM 對(duì)重慶東部夏季降水的影響較西部明顯,SASM 主要影響重慶西部地區(qū),且EASM 強(qiáng)度與重慶夏季降水成顯著的負(fù)相關(guān):強(qiáng)EASM 年,重慶夏季降水少,弱EASM 年則相反。馬振鋒等(2003)認(rèn)為,西南地區(qū)夏季降水與東亞季風(fēng)聯(lián)系密切,四川盆地初夏干旱年,中國(guó)東部地區(qū)東亞季風(fēng)弱,地面東亞季風(fēng)槽和雨帶偏南,多雨年則相反。白瑩瑩等(2014)指出,1961 年EASM 強(qiáng),與EASM 相關(guān)的水平和垂直環(huán)流都不利于四川盆地東部地區(qū)降水,造成盆地東部地區(qū)降水少;1998 年EASM 弱,情況與1961 年相反。
西南地區(qū)不僅是EASM 和SASM 的活動(dòng)范圍,還是EASM 和SASM 的重要匯合區(qū)之一(Wang,et al,2003,2004)。Chen 等(1984)研究指出,EASM和SASM 的交界面位于100°E 附近。湯緒等(2009)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化可降水量指數(shù)定義了EASM 的北邊緣,得到EASM 和SASM 的交界面位于100°E附近。Cao 等(2012)將相當(dāng)位溫經(jīng)向梯度為0 的位置定義為EASM 和SASM 的交界面并對(duì)其計(jì)算,得到EASM 與SASM 的交界面位于100°E 附近,定義了EASM 與SASM 交界面指數(shù)(IIEI),并指出該指數(shù)與EASM 和SASM 之間的蹺蹺板變化密切相關(guān)。近年來(lái),桓玉等(2018)利用新資料重新計(jì)算了IIEI,并分析IIEI 的年際變化、正負(fù)異常年特征及其與中國(guó)降水的關(guān)系,指出EASM 和SASM 的協(xié)同演變是影響中國(guó)南方降水的重要原因。
以上研究綜合分析了EASM 和SASM 活動(dòng)及其與中國(guó)夏季降水的聯(lián)系,但僅從兩類季風(fēng)正、負(fù)異常年份的特征與環(huán)流展開(kāi)研究,并未涉及到不同強(qiáng)度的EASM 和SASM 具體的協(xié)同變化與對(duì)應(yīng)的環(huán)流特征。且過(guò)去對(duì)季風(fēng)活動(dòng)與西南地區(qū)夏季降水相關(guān)的研究中,多以單一的季風(fēng)系統(tǒng)與區(qū)域降水相聯(lián)系,模糊了另一季風(fēng)系統(tǒng)的作用,而針對(duì)EASM和SASM 兩大季風(fēng)系統(tǒng)協(xié)同影響西南地區(qū)夏季降水的研究較少。且西南地區(qū)是EASM 和SASM 重要的交匯地,季風(fēng)的強(qiáng)弱變化對(duì)西南地區(qū)夏季降水有重要影響(Wang,et al,2004)。因此,文中將在已有研究的基礎(chǔ)上,嘗試探究EASM 和SASM 存在的多種協(xié)同作用及其對(duì)中國(guó)西南地區(qū)夏季降水的影響,增強(qiáng)對(duì)EASM 和SASM 的遙相關(guān)模式及其相互作用的認(rèn)識(shí)。
Chen 等(1984)、湯緒等(2009)、Cao 等(2012)指出,EASM 和SASM 的交界面位于100°E 附近,該交界面隨EASM 和SASM 強(qiáng)度變化左右擺動(dòng)。因此,以100°E 為軸,選?。?0°—35°N,90°—110°E)的西南地區(qū)為研究區(qū)(圖1),采用1979—2019 年西南地區(qū)161 站逐日降水觀測(cè)資料及ERA-5 提供的1979—2019 年全球高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、垂直速度場(chǎng)、濕度場(chǎng)等逐月再分析資料(水平分辨率為0.25°×0.25°),通過(guò)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)、合成分析、診斷分析等方法嘗試探究不同強(qiáng)度的EASM和SASM 協(xié)同作用對(duì)西南地區(qū)夏季降水的影響。
圖1 西南地區(qū)降水觀測(cè)站點(diǎn)Fig.1 Precipitation observation stations in Southwest China
通過(guò)計(jì)算西南地區(qū)夏季降水標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)(SPI,standardized precipitation index),并對(duì)其進(jìn)行MK 檢驗(yàn),得到1979—2019 年西南地區(qū)夏季標(biāo)準(zhǔn)化降水序列存在明顯的年際變化,且整體呈下降趨勢(shì),其中1980—1990 年下降趨勢(shì)顯著,1991—1997年波動(dòng)變化,1998—2011 年又為明顯下降趨勢(shì),2012 年后為波動(dòng)上升趨勢(shì)(圖2)。此外,通過(guò)統(tǒng)計(jì)得到1979—2019 年西南地區(qū)夏季降水前6 個(gè)偏多年分別為1998、1993、1991、2014、1979 和1999 年,前6 個(gè)偏少年分別為2011、2006、1992、2013、1989 和1990 年(表1)。
圖2 1979—2019 年西南地區(qū)(a)標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)序列和(b)M-K 檢驗(yàn)Fig.2 (a)Standardized precipitation index and(b)M-K test in Southwest China from 1979 to 2019
表1 1979—2019 年西南地區(qū)前6 個(gè)降水偏多、偏少年Table 1 The top six years of more(less)precipitation in Southwest China from 1979 to 2019
圖3 為1979—2019 年西南地區(qū)夏季降水EOF前4 個(gè)模態(tài),其中第一模態(tài)高值區(qū)主要位于30°N以南地區(qū),高值中心分布在貴州東北部與西藏東南部。第二模態(tài)高值區(qū)位于30°N 以北地區(qū),高值中心主要分布于四川省西北部與東北部。第三模態(tài)則表現(xiàn)出明顯的東、西向差異,大致呈現(xiàn)以105°E為界“東多(少)西少(多)”的反向異常分布特征,高值區(qū)位于105°E 以東,低值區(qū)位于105°E 以西。第四模態(tài)高值區(qū)主要分布在重慶、云南西南部及西藏東南部。
圖3 1979—2019 年西南地區(qū)夏季降水EOF 前4 模態(tài)(a.第一模態(tài):13.8%,b.第二模態(tài):10.6%,c.第三模態(tài):10.3%,d.第四模態(tài):9.9%)Fig.3 The first four EOF modes of summer precipitation in Southwest China from 1979 to 2019(a.the first mode:13.8%,b.the second mode:10.6%,c.the third mode:10.3%,d.the fourth mode:9.9%)
自20 世紀(jì)以來(lái),中外已有許多氣象學(xué)者對(duì)亞洲季風(fēng)指數(shù)進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)深入的研究。EASM 指數(shù)方面,郭其蘊(yùn)(1983)將緯向海陸氣壓梯度差定義為EASM 強(qiáng)度指數(shù)。施能等(1996b)對(duì)郭其蘊(yùn)等定義的指數(shù)進(jìn)行修正,減少了緯度對(duì)指數(shù)的影響。彭加毅等(2000)在郭其蘊(yùn)等和施能等定義的指數(shù)的基礎(chǔ)上改進(jìn),定義了新的EASM 指數(shù),并指出該指數(shù)反映東亞季風(fēng)季節(jié)轉(zhuǎn)換的能力與前兩者相比有很大的優(yōu)越性,且能更好地反映夏季副熱帶高壓和季風(fēng)雨帶的位置。Wang 等(1999)用850 hPa 的風(fēng)構(gòu)造了一個(gè)代表與菲律賓附近對(duì)流指數(shù)相關(guān)的對(duì)流層低層渦度異常的環(huán)流指數(shù),該指數(shù)也被用于EASM 強(qiáng)度的計(jì)算。祝從文等(2000)將東西向海平面氣壓差與低緯度高、低層緯向風(fēng)切變相結(jié)合,定義了東亞季風(fēng)指數(shù)。孫秀榮等(2002)綜合考慮了東西向和南北向的海陸熱力差異定義了東亞海陸熱力差指數(shù),并指出該指數(shù)可反映EASM 的年際強(qiáng)弱變化。張慶云等(2003)以東亞熱帶季風(fēng)槽區(qū)與東亞副熱帶地區(qū)850 hPa 的平均緯向風(fēng)距平定義EASM 指數(shù),該指數(shù)可反映東亞風(fēng)場(chǎng)與降水場(chǎng)的年際變化特征。SASM 指數(shù)方面,Webster 等(1992)提出以(EQ—20°N,40°—110°E)區(qū)域平均的850 和200 hPa 緯向風(fēng)切變作為南亞季風(fēng)強(qiáng)弱的指標(biāo)。Goswami 等(1999)用印度季風(fēng)區(qū)(10°—30°N,70°—110°E)850 和200 hPa 經(jīng)向風(fēng)切變的平均值定義季風(fēng)哈得來(lái)指數(shù)。陳樺等(2006)指出Webster等(1992)的季風(fēng)指數(shù)不能真正反映亞洲季風(fēng)系統(tǒng)上層環(huán)流的變化,并在此基礎(chǔ)上將200 hPa 緯向風(fēng)切變改為100 和150 hPa 緯向風(fēng)切變的平均,定義了新的SASM 指數(shù),該指數(shù)可反映亞洲緯向風(fēng)切變中心的變率及對(duì)流層上、下層季風(fēng)系統(tǒng)的耦合變率。此外,李建平等(2005)、徐忠峰等(2006)分別用動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化季節(jié)變化率及濕位渦表征SASM的年際變率。
通過(guò)對(duì)中外學(xué)者定義的季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)的比較,選取彭佳毅等(2000)、孫秀榮等(2002)和Wang 等(1999)定義的EASM 指數(shù)EAMI、LSTDI 和WFI及Goswami 等(1999)、Webster 等(1992)和陳樺等(2006)定義的SASM 指數(shù)MHI、WYI 和DHI 討論其與西南地區(qū)降水的相關(guān),并選用Cao 等(2012)定義的季風(fēng)交界面指數(shù)(IIEI)進(jìn)行對(duì)比討論。圖4為選取的各類季風(fēng)指數(shù)與西南地區(qū)夏季降水標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列,可以看出,EASM 指數(shù)LSTDI 和WFI與西南SPI 呈明顯的負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為?0.490 和?0.439,通過(guò)95% 顯著性檢驗(yàn)(滑動(dòng)t檢驗(yàn),下同)(圖4b、4c),而EAMI 與西南SPI 為弱的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.137(圖4a)。與EASM 指數(shù)相比,SASM 指數(shù)與西南SPI 相關(guān)較差,其中MHI與西南SPI 的正相關(guān)優(yōu)于WYI 和DHI(圖4d、4e、4f)。此外,IIEI 和EASM 指數(shù)相似,與西南SPI 也存在明顯的負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為?0.436,通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)(圖4g)。通過(guò)以上對(duì)比可知,EASM 指數(shù)LSTDI、WFI 及季風(fēng)交界面指數(shù)IIEI 與西南SPI的負(fù)相關(guān)明顯,而SASM 指數(shù)與西南SPI 的相關(guān)較弱,說(shuō)明在季風(fēng)協(xié)同作用中,EASM 的強(qiáng)弱變化對(duì)西南地區(qū)夏季降水的影響要大于SASM,且季風(fēng)交界面指數(shù)在解釋季風(fēng)協(xié)同作用對(duì)降水的影響也有一定的優(yōu)越性。
圖4 1979—2019 年?yáng)|亞和南亞夏季風(fēng)指數(shù)與西南地區(qū)夏季 SPI(黑色實(shí)線為西南地區(qū)夏季標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù) SPI,紅色實(shí)線為季風(fēng)指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值;a.EAMI 與 SPI,b.LSTDI 與 SPI,c.WFI 與 SPI,d.MHI 與SPI,e.WYI與 SPI,f.DHI 與 SPI,g.IIEI 與 SPI)Fig.4 The East Asia and South Asia summer monsoon indexes and Southwest China summer SPI from 1979 to 2019(The black solid line is the standardized precipitation index SPI in summer in Southwest China,and the red solid line is the standardized value of monsoon index;a.EAMI and SPI,b.LSTDI and SPI,c.WFI and SPI,d.MHI and SPI,e.WYI and SPI,f.DHI and SPI,g.IIEI and SPI)
季風(fēng)指數(shù)與降水標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)區(qū)域相關(guān)方面,EASM 指數(shù)與西南SPI 以負(fù)相關(guān)為主。其中EAMI與SPI 在西南地區(qū)中北部呈明顯的負(fù)相關(guān),負(fù)相關(guān)的大值區(qū)主要位于四川北部;西南地區(qū)西部與東南部正相關(guān)明顯,云南東部至廣西西部一帶為正相關(guān)的大值區(qū)(圖5a)。LSTDI 與西南SPI 自重慶、貴州至西藏東南部呈顯著的帶狀負(fù)相關(guān),大值區(qū)分別位于西藏東南部、四川西部與重慶、貴州3 地;成都平原、云南南部等地呈正相關(guān)(圖5b)。WFI 與LSTDI相似,與西南SPI 呈明顯的負(fù)相關(guān),但其在西藏東南部、四川西部等地的負(fù)相關(guān)不及LSTDI;云南至廣西西部的正相關(guān)區(qū)域較大(圖5c)。與EASM指數(shù)相比,SASM 指數(shù)和西南SPI 的區(qū)域相關(guān)有顯著的差別。MHI 與西南SPI 在西南地區(qū)有范圍較大的正相關(guān),正相關(guān)大值區(qū)主要位于西藏東南部與廣西西部;在西南中部的青海至云貴省界一帶主要為負(fù)相關(guān)區(qū)域,負(fù)相關(guān)大值區(qū)主要位于四川西北部(圖5d)。WYI 與西南SPI 在西南地區(qū)東部呈明顯的負(fù)相關(guān),負(fù)相關(guān)的大值區(qū)主要位于重慶南部與貴州北部;西南地區(qū)中西部基本為正相關(guān),其中西藏中南部、云南西部及成都等地的相關(guān)最好(圖5e)。DHI 和西南SPI 的區(qū)域相關(guān)與WYI 相似,但在甘肅南部至云南中西部正相關(guān)較強(qiáng),在重慶南部與貴州北部負(fù)相關(guān)相對(duì)較弱(圖5f)。IIEI 與WFI 十分相似,與西南SPI 存在大范圍的負(fù)相關(guān),尤其在西南東部地區(qū)負(fù)相關(guān)最明顯(圖5g)。綜合以上分析,在選取的東亞與南亞季風(fēng)指數(shù)中,孫秀榮等(2002)定義的東亞海陸熱力差指數(shù)(LSTDI)和Goswami 等(1999)定義的季風(fēng)哈得來(lái)指數(shù)(MHI)與西南SPI 的相關(guān)最好,Cao 等(2012)定義的季風(fēng)交界面指數(shù)與西南地區(qū)夏季降水也有較好的相關(guān)。因此,文中將選取以上3 個(gè)指數(shù)討論EASM 和SASM 的年際變化及其對(duì)西南地區(qū)夏季降水的影響。
圖5 1979—2019 年?yáng)|亞和南亞夏季風(fēng)指數(shù)與西南地區(qū)夏季 SPI 區(qū)域相關(guān)(a.EAMI,b.LSTDI,c.WFI,d.MHI,e.WYI,f.DHI,g.IIEI;打點(diǎn)區(qū)域通過(guò) 95% 的顯著性檢驗(yàn))Fig.5 Correlations between summer monsoon indexes of the East and South Asia and summer SPI in Southwest China from 1979 to 2019(a.EAMI,b.LSTDI,c.WFI,d.MHI,e.WYI,f.DHI,g.IIEI;dotted areas are for values passing the 95% confidence level)
由于季風(fēng)的年際變化大,為了更直觀地看出季風(fēng)的強(qiáng)弱變化,根據(jù)孫秀榮等(2002)定義的東亞海陸熱力差指數(shù)(LSTDI)與Goswami 等(1999)定義的季風(fēng)哈得來(lái)指數(shù)(MHI),以正、負(fù)0.5 倍標(biāo)準(zhǔn)差定義夏季風(fēng)強(qiáng)弱,其中EASM 強(qiáng)年12 個(gè),弱年14 個(gè);SASM 強(qiáng)年14 個(gè),弱年14 個(gè)(表2)。按照EASM 和SASM 的年際變化,得到EASM 和SASM 存在4 類協(xié)同作用,分別為強(qiáng)EASM-強(qiáng)SASM、強(qiáng)EASM-弱SASM、弱EASM-弱SASM、弱EASM-強(qiáng)SASM,其所對(duì)應(yīng)的年份見(jiàn)表3。此外,為了更好地解釋EASM 與SASM 協(xié)同演變對(duì)西南地區(qū)夏季降水的影響,選取IIEI 討論其與西南夏季降水異常的聯(lián)系。將標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列大于1 的年份定義為IIEI 的正異常年,小于?1 的年份定義為負(fù)異常年(桓玉等,2018)。通過(guò)計(jì)算得到1979—2019 年IIEI 的正異常年有1981、1985、1986、1990、2004、2012 和2018 年,共7 個(gè);負(fù)異常年有1980、1983、1988、1995、1996、1998、2007、2008 和2010 年,共9 個(gè)。在3.1 節(jié)挑選出的西南地區(qū)12 個(gè)夏季降水偏多(少)年份中,有11 a 為季風(fēng)協(xié)同年,分別為:1979、1989、1990、1991、1992、1993、1998、1999、2006、2013 和2014 年。而IIEI 的正、負(fù)異常年與西南地區(qū)12 個(gè)夏季降水異常年相匹配的僅有1981、1990 與1998 年。由此可見(jiàn),EASM 和SASM 活動(dòng)對(duì)西南地區(qū)夏季降水有重要影響,且定義的4 類季風(fēng)協(xié)同作用與季風(fēng)交界面指數(shù)相比,與西南地區(qū)夏季降水異常的聯(lián)系更密切,對(duì)西南地區(qū)夏季降水異常有更好的反映能力。
表2 東亞和南亞夏季風(fēng)強(qiáng)弱年Table 2 Strong and weak years of East Asian summer monsoon and South Asian summer monsoon
表3 東亞和南亞夏季風(fēng)協(xié)同年Table 3 The East Asian summer monsoon and South Asian summer monsoon synergy years
圖6 為4 類季風(fēng)協(xié)同年西南地區(qū)夏季降水距平場(chǎng),可以看出,強(qiáng)EASM-強(qiáng)SASM 年,西南大部分地區(qū)為負(fù)距平,降水偏少,負(fù)距平大值區(qū)位于重慶和貴州;四川中部,云南西部、南部與廣西西部為正距平,降水偏多,正距平大值區(qū)主要位于四川盆地西部呈南北向分布(圖6a)。強(qiáng)EASM-弱SASM年,正距平區(qū)域范圍廣闊,覆蓋整個(gè)西南地區(qū),降水偏多,大值區(qū)主要位于四川盆地至云南東北部一帶,廣西西部也有范圍較小的大值區(qū)存在(圖6b)。弱EASM-弱SASM 年,降水負(fù)距平區(qū)主要位于西部的青海、西藏和南部的云南、廣西及四川東南部、貴州西部等地,四川、西藏東南部及重慶與貴州的部分地區(qū)為正距平,降水大值區(qū)主要位于四川盆地(圖6c)。弱EASM-強(qiáng)SASM 年,成都平原及其以北的西南中北部為降水負(fù)距平區(qū),其余地區(qū)均為顯著的正距平所覆蓋,正距平大值區(qū)主要位于西南地區(qū)東部的重慶至廣西一帶(圖6d)。通過(guò)以上分析,可將西南地區(qū)4 類協(xié)同年的降水特征歸納為四川盆地西部型、西南全區(qū)一致型、四川全盆地型及西南東部型。
圖6 季風(fēng)協(xié)同年西南地區(qū)夏季降水距平場(chǎng)(單位:mm)(a.強(qiáng)EASM-強(qiáng)SASM 年,b.強(qiáng)EASM-弱SASM 年,c.弱EASM-弱SASM 年,d.弱EASM-強(qiáng)SASM 年)Fig.6 Summer precipitation anomalies(unit:mm)in Southwest China in monsoon synergy years(a.strong EASM-strong SASM years,b.strong EASM-weak SASM years,c.weak EASM-weak SASM years,d.weak EASM-strong SASM years)
為進(jìn)一步分析EASM 和SASM 的協(xié)同演變及其對(duì)西南地區(qū)夏季降水的影響,下面將從500 hPa高度場(chǎng)距平、850 hPa 風(fēng)場(chǎng)距平、整層水汽通量積分距平及垂直速度剖面距平進(jìn)行分析。
副熱帶高壓(副高)位置存在顯著的南北進(jìn)退和東西振蕩的季節(jié)變化,這種季節(jié)變化在亞洲季風(fēng)區(qū)表現(xiàn)得最為明顯,其季節(jié)性移動(dòng)與亞洲季風(fēng)及季風(fēng)雨帶有密切關(guān)聯(lián),尤其是副高位置的東西進(jìn)退和南北位移直接影響著季風(fēng)的建立與夏季降水(余丹丹等,2014;林志強(qiáng)等,2015)。此外,中緯度擾動(dòng)對(duì)季風(fēng)區(qū)降水也存在重要影響(陳隆勛等,1991)。圖7為季風(fēng)協(xié)同年500 hPa 高度距平場(chǎng),陰影區(qū)域表示通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)(下同)。從圖中可以看出,在強(qiáng)EASM-強(qiáng)SASM 年,貝加爾湖附近存在顯著的負(fù)距平區(qū),中高緯度地區(qū)正距平區(qū)呈條帶狀分布,正距平以朝鮮半島為中心的華北至日本一帶較明顯;低緯度地區(qū)多為負(fù)距平區(qū),印度半島與中國(guó)華南地區(qū)分別存在負(fù)距平中心。西太平洋副高偏東偏弱,位于西太平洋洋面,印度半島西側(cè)的伊朗高壓偏西偏弱,有利于EASM 與SASM 活動(dòng)(圖7a)。強(qiáng)EASM-弱SASM 年,中高緯度地區(qū)負(fù)距平區(qū)范圍較大,巴爾喀什湖與外興安嶺有負(fù)距平中心存在;正距平中心仍位于朝鮮半島,其范圍自內(nèi)蒙古西側(cè)向日本延伸,低緯度地區(qū)負(fù)距平顯著,負(fù)距平中心位于臺(tái)灣以東的西太平洋。西太平洋副高偏東偏弱,有利于東亞夏季風(fēng)向中國(guó)推進(jìn),伊朗高壓偏東偏強(qiáng)并影響印度洋,不利于SASM 活動(dòng)(圖7b)。在弱EASM-弱SASM 年,環(huán)流形勢(shì)與強(qiáng)EASM-強(qiáng)SASM 年基本相反。中高緯度正距平區(qū)呈團(tuán)塊狀分布,貝加爾湖向南至30°N 存在一明顯的倒“Ω”型的負(fù)距平區(qū)域,負(fù)距平中心主要位于以朝鮮半島為中心的區(qū)域;低緯度地區(qū)的印度半島與華南地區(qū)存在兩個(gè)明顯的正距平中心。西太平洋副高偏西偏強(qiáng),西伸至中國(guó)大陸地區(qū)并與伊朗高壓打通,不利于EASM 和SASM 活動(dòng)(圖7c)。弱EASM-強(qiáng)SASM 年,環(huán)流形勢(shì)與強(qiáng)EASM-弱SASM 年基本相反。中高緯度正距平區(qū)分別位于巴爾喀什湖以北與中國(guó)東北及其以北地區(qū),中緯度地區(qū)基本為負(fù)距平區(qū)覆蓋,負(fù)距平中心位于朝鮮半島,低緯度地區(qū)正距平區(qū)顯著,正距平中心位于中國(guó)臺(tái)灣省及其以東的西太平洋。西太平洋副高偏西偏強(qiáng),不利于EASM 活動(dòng),而伊朗高壓偏西偏弱,有利于SASM活動(dòng),這與戴新剛等(2002)的研究結(jié)果一致(圖7d)。
圖7 季風(fēng)協(xié)同年夏季500 hPa 合成高度場(chǎng)距平(單位:dagpm)(a.強(qiáng)EASM-強(qiáng)SASM 年,b.強(qiáng)EASM-弱SASM 年,c.弱EASM-弱SASM 年,d.弱EASM-強(qiáng)SASM 年;陰影區(qū)域表示通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn))Fig.7 Anomalies of 500 hPa synthetic height field(unit:dagpm)in the summer of monsoon synergy years(a.strong EASMstrong SASM years,b.strong EASM-weak SASM years,c.weak EASM-weak SASM years,d.weak EASM-strong SASM years;Shaded areas are for values passing the 95% confidence level)
氣流不明顯,不利于降水產(chǎn)生(圖8a)。強(qiáng)EASM-弱SASM 年,印度洋至西太平洋仍有明顯的西風(fēng)氣流,在菲律賓群島附近強(qiáng)度最強(qiáng),印度半島南部有一范圍較小的反氣旋式環(huán)流,中國(guó)—西太平洋有一東西向分布的氣旋式環(huán)流,中心位于臺(tái)灣以東的西太平洋洋面,范圍廣闊,強(qiáng)度較強(qiáng),其北部存在一以日本為中心的反氣旋式環(huán)流。兩環(huán)流中間的東風(fēng)氣流進(jìn)入中國(guó)后在長(zhǎng)江中下游地區(qū)分支,分別匯入西太平洋氣旋式環(huán)流與日本反氣旋式環(huán)流,進(jìn)入中國(guó)后部分轉(zhuǎn)為東北氣流影響西南地區(qū),其攜帶的西太平洋暖濕氣流與南下的干冷空氣匯合,有利于降水發(fā)生(圖8b)。弱EASM-弱SASM 年,風(fēng)場(chǎng)特征與強(qiáng)EASM-強(qiáng)SASM 年有顯著差別。低緯度地區(qū)無(wú)明顯環(huán)流,孟加拉灣以西至印度半島轉(zhuǎn)為較明顯的東風(fēng)氣流,并在阿拉伯海中部轉(zhuǎn)為西風(fēng)氣流越赤道南下;東亞沿岸至西太平洋存在一范圍較小的氣旋式環(huán)流,中心位于日本南部,西側(cè)偏南氣流有利于引導(dǎo)冷空氣南下,但來(lái)自低緯度北上的水汽輸送風(fēng)和降水是定義季風(fēng)爆發(fā)的兩個(gè)基本物理量,風(fēng)場(chǎng)的異常變化對(duì)中國(guó)夏季降水存在重要影響。圖8 為季風(fēng)協(xié)同年夏季850 hPa 風(fēng)場(chǎng)距平,可以看出,強(qiáng)EASM-強(qiáng)SASM 年,印度半島東北部與中國(guó)南海地區(qū)存在兩個(gè)明顯的氣旋式環(huán)流,其南部有較平直的西風(fēng)氣流存在,強(qiáng)度較強(qiáng);東亞中高緯度地區(qū)有一反氣旋式環(huán)流,中心位于日本海南部,該反氣旋環(huán)流與中國(guó)南海氣旋式環(huán)流中間的偏東氣流到達(dá)中國(guó)后,在長(zhǎng)江流域分支,部分氣流轉(zhuǎn)向東北,部分氣流南下匯入中國(guó)南海氣旋式環(huán)流。此外,蒙古氣旋式環(huán)流南側(cè)的西風(fēng)氣流在中國(guó)東北地區(qū)轉(zhuǎn)向匯入日本海反氣旋式環(huán)流,不利于冷空氣向南活動(dòng)。低緯度地區(qū)北上的暖濕氣流主要匯入印度半島東北部和中國(guó)南海的兩個(gè)氣旋式環(huán)流,而西南地區(qū)位于兩個(gè)氣旋式環(huán)流中部,區(qū)內(nèi)風(fēng)向多變,冷暖微弱,不利于產(chǎn)生降水(圖8c)。弱EASM-強(qiáng)SASM 年,風(fēng)場(chǎng)特征與強(qiáng)EASM-弱SASM 年基本相反。印度半島北部為西風(fēng)氣流,南部有一范圍較小的氣旋式環(huán)流,中國(guó)南海至西太平洋存在一東西向的反氣旋式環(huán)流,中心位于菲律賓以東洋面,范圍廣闊,南部有平直的東風(fēng)氣流,北部有一以日本海為中心的氣旋式環(huán)流分布,兩環(huán)流中間的西風(fēng)氣流在中國(guó)東海分支后分別匯入西太平洋反氣旋與日本海氣旋。此外,高緯度地區(qū)有冷空氣南下,印度半島北部的西風(fēng)氣流與孟加拉灣北上的暖濕氣流進(jìn)入中國(guó)西南地區(qū),冷、暖氣流交匯有利于產(chǎn)生降水(圖8d)。
圖8 季風(fēng)協(xié)同年夏季850 hPa 合成風(fēng)場(chǎng)距平(a.強(qiáng)EASM-強(qiáng)SASM 年,b.強(qiáng)EASM-弱SASM 年,c.弱EASM-弱SASM 年,d.弱EASM-強(qiáng)SASM 年;陰影區(qū)域表示通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn))Fig.8 Anomalies of 850 hPa synthetic wind field in the summer of monsoon synergy years(a.strong EASM-strong SASM years,b.strong EASM-weak SASM years,c.weak EASM-weak SASM years,d.weak EASM-strong SASM years;Shaded areas indicate values passing the 95% confidence level)
季風(fēng)活動(dòng)是水汽輸送的重要?jiǎng)恿?,因此季風(fēng)活動(dòng)的異常對(duì)季風(fēng)區(qū)的夏季旱澇有直接影響(李崇銀等,1999)。周曉霞等(2008)指出,東亞地區(qū)的強(qiáng)降水和大范圍甚至半球的水汽輸送和水汽輻合相聯(lián)系,其中最主要的是來(lái)自印度洋的水汽,其次是來(lái)自太平洋的水汽。圖9 為季風(fēng)協(xié)同年合成整層水汽通量積分距平,可以看出,在強(qiáng)EASM-強(qiáng)SASM年,低緯度地區(qū)水汽主要表現(xiàn)為20°N 以南的緯向輸送,其北部的印度半島東北部與中國(guó)南海存在兩個(gè)水汽輻合中心,其中印度半島輻合區(qū)受高大地形影響,SASM 攜帶的水汽部分在青藏高原南部轉(zhuǎn)為向西輸送,部分進(jìn)入中南半島;而EASM 將中國(guó)南?!魈窖蟮乃斔椭灵L(zhǎng)江中下游后轉(zhuǎn)向東北進(jìn)入西南地區(qū)東南部,但水汽明顯減少。西南地區(qū)除四川盆地、云南南部、廣西西部有較明顯的水汽輻合,其余地區(qū)水汽輻合較弱,不利于降水發(fā)生(圖9a)。在強(qiáng)EASM-弱SASM 年,低緯度地區(qū)水汽仍是較明顯的緯向輸送,但阿拉伯海至印度半島的緯向水汽輸送相對(duì)較弱;中國(guó)華南地區(qū)至西太平洋存在顯著的水汽輻合區(qū),水汽輸送量較大,其北部來(lái)自中國(guó)南海—西太平洋的偏東水汽隨EASM抵達(dá)長(zhǎng)江中下游后部分轉(zhuǎn)向東北,為西南地區(qū)降水提供有利的水汽條件。且西南地區(qū)水汽輻合明顯,有利于降水產(chǎn)生(圖9b)。弱EASM-弱SASM 年,中國(guó)東海地區(qū)有一較為廣闊的水汽輻合區(qū),中國(guó)南海與西太平洋水汽在該輻合區(qū)影響下,主要表現(xiàn)為南、北的經(jīng)向輸送特征;阿拉伯海至孟加拉灣轉(zhuǎn)為偏東的緯向水汽輸送,并在阿拉伯海轉(zhuǎn)向形成一個(gè)輸送量較小的水汽環(huán)流圈,該環(huán)流圈南側(cè)偏西的水汽在中南半島西側(cè)轉(zhuǎn)向,攜帶孟加拉灣水汽向北挺進(jìn),抵達(dá)西南地區(qū),該水汽輸送路徑對(duì)四川與貴州影響較大,但西南地區(qū)整體水汽輻合較弱,不利于降水發(fā)生(圖9c)。弱EASM-強(qiáng)SASM 年,中國(guó)南海至西太平洋和阿拉伯海至印度半島南部各有一水汽環(huán)流圈,印度半島南部的水汽較弱,而西太平洋水汽環(huán)流圈位置偏東,其南部的洋面至孟加拉灣有明顯的緯向水汽輸送帶,自西太平洋向西輸送,在孟加拉灣轉(zhuǎn)向后隨SASM 向北推進(jìn),并在青藏高原東南側(cè)轉(zhuǎn)為偏西向的水汽輸送,為西南地區(qū)降水提供有利的水汽條件,且西南地區(qū)存在明顯的水汽輻合,有利于降水發(fā)生(圖9d)。
圖9 季風(fēng)協(xié)同年合成整層水汽通量積分距平(a.強(qiáng)EASM-強(qiáng)SASM 年,b.強(qiáng)EASM-弱SASM 年,c.弱EASM-弱SASM 年,d.弱EASM-強(qiáng)SASM 年;單位:kg/(m·s),陰影區(qū)域表示通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn))Fig.9 Water vapor flux anomalies vertically integrated over the entire layer in monsoon synergy years(a.strong EASMstrong SASM years,b.strong EASM-weak SASM years,c.weak EASM-weak SASM years,d.weak EASM-strong SASM years;unit:kg/(m·s),shaded areas indicates values passing the 95% confidence level)
降水發(fā)生在空氣的上升運(yùn)動(dòng)區(qū),因此除了水汽條件,上升運(yùn)動(dòng)也是產(chǎn)生降水的重要條件。圖10為季風(fēng)協(xié)同年西南地區(qū)的垂直速度距平剖面,可以看出,強(qiáng)EASM-強(qiáng)SASM 年,西南地區(qū)27.5°—35°N上升和下沉運(yùn)動(dòng)交替,其中成都平原中低層為上升運(yùn)動(dòng)的大值區(qū),有利于降水在該地區(qū)形成,此外的大部分地區(qū)則表現(xiàn)為下沉運(yùn)動(dòng),不利于降水發(fā)生(圖10a);且20°—27.5°N 地區(qū)也有較明顯的下沉運(yùn)動(dòng)(圖10e)。強(qiáng)EASM-弱SASM 年,西南地區(qū)有范圍廣闊的上升運(yùn)動(dòng)區(qū),上升運(yùn)動(dòng)的大值區(qū)主要位于四川盆地,有利于在該地區(qū)降水發(fā)生(圖10b、f)。弱EASM-弱SASM 年,西南地區(qū)27.5°—35°N 的東、西兩側(cè)下沉運(yùn)動(dòng)明顯,中部的四川有明顯的上升運(yùn)動(dòng),有利于產(chǎn)生降水(圖10c);20°—27.5°N 存在明顯的下沉運(yùn)動(dòng),不利于產(chǎn)生降水(圖10g)。弱EASM-強(qiáng)SASM 年,西南地區(qū)27.5°—35°N 中西部上升運(yùn)動(dòng)明顯,有利于產(chǎn)生降水,東部地區(qū)上升運(yùn)動(dòng)較弱(圖10d);20°—27.5°N 也存在較明顯的上升運(yùn)動(dòng),上升運(yùn)動(dòng)的大值區(qū)主要位于105°E 以東的貴州、廣西一帶,有利于在此地區(qū)產(chǎn)生降水。由以上分析可知,季風(fēng)協(xié)同年的垂直速度剖面特征與圖6 實(shí)際的降水異常情況符合,兩者有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
圖10 季風(fēng)協(xié)同年西南地區(qū)垂直速度距平剖面(a.強(qiáng)EASM-強(qiáng)SASM 年沿27.5°—35°N,b.強(qiáng)EASM-弱SASM 年沿27.5°—35°N,c.弱EASM-弱SASM 年沿27.5°—35°N,d.弱EASM-強(qiáng)SASM 年沿27.5°—35°N,e.強(qiáng)EASM-強(qiáng)SASM 年沿20°—27.5°N,f.強(qiáng)EASM-弱SASM 年沿20°—27.5°N,g.弱EASM-弱SASM 年沿20°—27.5°N,h.弱EASM-強(qiáng)SASM 年沿20°—27.5°N;單位:m/s,陰影區(qū)域表示通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn))Fig.10 Vertical velocity anomaly profiles in Southwest China in monsoon synergy years(a.strong EASM-strong SASM years along 27.5° to 35°N,b.strong EASM-weak SASM years along 27.5° to 35°N,c.weak EASM-weak SASM years along 27.5° to 35°N,d.weak EASM-strong SASM years along 27.5° to 35°N,e.strong EASM-strong SASM years along 20° to 27.5°N,f.strong EASMweak SASM years along 20° to 27.5°N,g.weak EASM-weak SASM years along 20° to 27.5°N,h.weak EASM-strong SASM years along 20° to 27.5°N;unit:m/s,shaded areas indicates values passing the 95% confidence level)
續(xù)圖10Fig.10 Continued
利用1979—2019 年西南地區(qū)夏季降水資料和ERA5 再分析資料,分別計(jì)算了西南地區(qū)夏季標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)與EASM 和SASM 強(qiáng)度指數(shù)的相關(guān),提出了EASM 和SASM 的4 類季風(fēng)協(xié)同作用,該協(xié)同作用與西南地區(qū)夏季降水異常聯(lián)系密切,并基于4 類季風(fēng)協(xié)同年,對(duì)比了環(huán)流形勢(shì)、流場(chǎng)、水汽輸送和垂直速度等異常及其對(duì)西南地區(qū)降水的影響,得到以下結(jié)論:
(1)西南夏季標(biāo)準(zhǔn)化降水SPI 與EASM 強(qiáng)度指數(shù)LSTDI、WFI 呈負(fù)相關(guān),與EAMI 呈正相關(guān);與SASM 強(qiáng)度指數(shù)MHI 呈負(fù)相關(guān),與WYI 和DHI 相關(guān)較弱;與東亞和南亞季風(fēng)交界面指數(shù)IIEI 呈負(fù)相關(guān)。其中LSTDI 和MHI 與西南夏季SPI 相關(guān)系數(shù)最大,在區(qū)域分布上相關(guān)最好。
(2)基于LSTDI 與MHI 兩個(gè)指數(shù)提出了強(qiáng)EASM-強(qiáng)SASM、強(qiáng)EASM-弱SASM、弱EASM-弱SASM 和弱EASM-強(qiáng)SASM 共4 類季風(fēng)協(xié)同作用,其與西南夏季降水異常的聯(lián)系比季風(fēng)交界面指數(shù)IIEI 更加密切,對(duì)應(yīng)的協(xié)同年降水特征分別為四川盆地西部型、西南全區(qū)一致型、四川全盆地型及西南東部型。
(3)①?gòu)?qiáng)EASM-強(qiáng)SASM 年,西太平洋副高偏東偏弱,伊朗高壓偏西偏弱,印度半島東北部與中國(guó)南海存在兩個(gè)氣旋式環(huán)流,EASM 將中國(guó)南?!魈窖蟮乃斔椭廖髂系貐^(qū),西南地區(qū)整體水汽輻合較弱,多下沉運(yùn)動(dòng),不利于形成降水,但成都平原與西南南部地區(qū)存在較明顯的水汽輻合,上升運(yùn)動(dòng)明顯,降水量較大,因此西南地區(qū)降水呈四川盆地西部型。②強(qiáng)EASM-弱SASM 年,西太平洋副高偏東偏弱,伊朗高壓偏東偏強(qiáng),反氣旋式環(huán)流與氣旋式環(huán)流位于印度半島南部與西太平洋,EASM將中國(guó)南?!魈窖蟮乃斔椭廖髂系貐^(qū),西南地區(qū)有明顯的水汽輻合和范圍較大的上升運(yùn)動(dòng),全區(qū)降水量較大,因此,西南地區(qū)降水呈西南全區(qū)一致型。③弱EASM-弱SASM 年,西太平洋副高西伸與東伸的伊朗高壓打通,強(qiáng)度增強(qiáng),低緯度地區(qū)無(wú)明顯環(huán)流圈,孟加拉灣水汽輸送路徑偏南,向北輸送至四川盆地、貴州等地,并伴有明顯的上升運(yùn)動(dòng),其余地區(qū)主要表現(xiàn)為水汽輻散并伴隨下沉運(yùn)動(dòng),不利于降水發(fā)生,因此西南降水呈四川全盆地型。④弱EASM-強(qiáng)SASM 與強(qiáng)EASM-弱SASM年基本相反。西太平洋副高偏西偏強(qiáng),伊朗高壓偏西偏弱,印度半島南部與西太平洋分別有氣旋式環(huán)流與反氣旋式環(huán)流,SASM 將孟加拉灣的水汽輸送至西南地區(qū),且西南地區(qū)存在明顯的水汽輻合和上升運(yùn)動(dòng),以西南東部最為明顯,因此西南降水呈西南東部型。
文中基于東亞季風(fēng)與南亞季風(fēng)的強(qiáng)弱變化提出了4 類季風(fēng)協(xié)同作用,并分析了4 類季風(fēng)協(xié)同作用同期的環(huán)流背景等對(duì)西南地區(qū)夏季降水的影響,對(duì)東亞季風(fēng)與南亞季風(fēng)的協(xié)同作用有了一些新認(rèn)識(shí)。關(guān)于4 類季風(fēng)協(xié)同作用形成的物理機(jī)制尚未展開(kāi)討論,相關(guān)內(nèi)容有待進(jìn)一步的深入研究。